样例复杂度与学习形式对不同数量样例学习的影响

杨翠蓉,黄玲玉,袁 欢,周成军

(1.江苏师范大学 智慧教育学院,江苏 徐州 211166;2.苏州大学 教育学院,江苏 苏州 215123;3.苏州科技大学 教育学院,江苏 苏州 215009)

样例是呈现问题情境与问题解决步骤,以供学习者学习模仿的学习资源。[1]早期研究表明,与基于问题解决的学习相比,完整样例的学习效果更好。[2]随后,研究者在此基础上设计了更多类型样例,如错误样例、不同解释类型的样例等。尽管样例学习的促进作用被证实,但样例皆有其适用边界性。例如:完整样例提供全部问题解决步骤,较为简单,更适用于低学业水平学生;有提示性问题的样例需进行自我解释,较为复杂,更适合高学业水平学生。合作学习倡导小组成员合作交流以促进知识与技能学习,如果复杂样例采用异质小组的合作学习形式,那么需要多少样例才能促进不同学业水平学生的学习?基于此,本研究拟根据复杂样例学习与有效合作学习展开样例合作学习研究。

一、研究综述

任务复杂性与认知负荷相关,影响学习效果。[3]完整样例相对于问题解决更简单。凡·高格(Van Gog)等发现,样例呈现在问题解决前与呈现在问题解决后相比,学习认知负荷较低,同时学习效果较高,这是因为提供全部解题步骤的完整样例既减轻学生认知负荷又提供完整认知图式。[4]帕斯(Paas)、斯威勒(Sweller)和凡·高格等研究者同样发现完整样例比问题更能减轻学生认知负荷。[5-7]此外,还有研究比较不同复杂度的样例个体学习效果。张奇等研究无括号、小括号与中括号运算等不同难度规则的样例对个体学习的影响,结果发现,规则容易的样例只需经过1～2个样例的学习,而规则难的样例需经过3～4个样例的学习,即规则难的样例需要花费更多时间、学习更多的样例才能取得满意的学习效果。[8]一般而言,学习的样例数量越多,所花时间越长,认知负荷越高。知识难度与学生水平相关,对低水平学生而言可能是难知识,对高水平学生而言则不是。因此,需要根据样例所涉知识数量操纵样例复杂性,并且张奇等选取的是若干相关样例,个体同时学习这些样例会产生练习效应,有必要选取相互独立且不同数量知识的样例,探讨合作学习是否会减少复杂样例学习数量,降低认知负荷,促进样例学习效果。

研究者根据认知负荷分析有效学习形式,认为复杂任务增加了个体学习的认知负荷,而合作学习将复杂任务所需的认知负荷分布给合作小组每个成员,使成员将更多工作记忆资源用于建构高质量的认知图式,促进复杂任务完成;简单任务没有超出个体认知负荷,这时合作学习简单任务反而会由于交流代价产生额外认知负荷,无助于简单任务执行。总之,任务复杂性、学习形式均影响认知负荷,从而影响学习效果,表现为复杂任务适用于合作学习,简单任务适用于个体学习。[9]格斯钦纳(Kirschner)等将问题解决作为复杂任务,将样例学习作为简单任务,研究发现:当个体学习时,样例认知负荷显著低于问题解决,其学习结果高于基于问题解决的学习;当合作学习时,基于问题解决学习的认知负荷显著低于样例,学习结果高于样例;此外,样例个体学习结果高于合作学习。[10]

为验证样例合作学习的有效性,研究者选取物理电磁学知识设计样例,比较引发解释的样例个体学习与合作学习结果,研究发现:样例合作组成员会运用更多先验知识进行更多解释,样例个体组成员则更多复述样例步骤,使得样例合作学习结果正确率比个体学习更高,其错误率与解释数量呈负相关。[11-12]样例合作学习效果的高低还取决于样例复杂度。董成文等将规则数量作为样例复杂度的区分标准,设计简单样例(包含1道规则)与复杂样例(包含2道规则),结果发现:简单样例的个体学习在近迁移结果上显著高于复杂样例的个体学习,复杂样例的合作学习在近迁移结果上显著高于简单样例的合作学习。[13]

有研究者选取PPT设计的样例比较不同解释类型的样例学习,结果发现:自我解释的样例学习组(样例个体学习)与合作解释的样例学习组(样例合作学习)的学习效果无显著差异,但均显著高于无解释样例组。[14]瑞特诺瓦(Retnowati)等选取代数方程为知识点,以样例步骤多少区分复杂与简单样例,发现无论是复杂样例还是简单样例,样例个体学习效果都显著高于合作学习,而样例个体学习与合作学习的认知负荷无显著差异。[15]杨宗凯等将错误样例看作复杂样例,正确样例看作简单样例,研究发现:虽然样例合作学习效果显著好于个体学习,但复杂样例与简单样例合作学习在认知负荷与学习结果上无显著差异。[16]此处研究分歧应缘于复杂样例的操作性定义不同:对于大学生而言,PPT设计样例并不是复杂样例;步骤多的样例未必涉及的知识就多,超出任务所需认知负荷未必成为复杂样例;错误样例比正确样例更难学习,但对于高水平学生而言,超出他们的认知负荷未必是复杂样例。[14-16]

基于已有复杂样例学习研究的不足,本研究将从样例所涉知识数量操纵样例复杂性,视所涉知识多的样例为复杂样例,所涉知识少的样例为简单样例,不同复杂度的样例学习所需的样例数量不同。样例是一种常见的课堂学习资源,又受课堂教学时间的限制,因此有必要探讨最佳复杂样例学习所需的样例数量,为课堂教学的样例运用提供依据。此外,异质能力组的合作学习效果优于同质能力组。[17]已有样例学习研究多采用同质合作小组,那么异质能力组的复杂样例合作学习对高低学业水平学生学习效果如何?综上所述,本研究拟展开两个实验,采用异质能力组,通过操作样例所涉知识数量,就学习样例的多少分别探讨样例复杂度与学习形式对样例学习效果的影响。

二、实验研究分析

(一)实验1:学习1个样例时,样例复杂度与学习形式对样例学习效果的影响

1.实验目的

考察学生学习1个样例时,不同复杂度的样例个体学习与合作学习在学习认知负荷与学习进步程度上是否存在差异。研究假设:(1)学习简单样例时,样例个体学习认知负荷显著低于合作学习,学习进步程度显著高于合作学习;学习复杂样例时,样例合作学习认知负荷显著低于个体学习,学习进步程度显著高于个体学习。(2)学习简单样例时,低学业水平学生的学习进步程度显著高于高学业水平学生;学习复杂样例时,高学业水平学生的学习进步程度显著高于低学业水平学生。

2.被试

由于实验材料选取知识点分别来自实验心理学与心理统计学课程,因此本研究选取苏州某高校心理学专业三年级学生73人作为被试。根据其相应学科成绩,剔除成绩处于中位数的学生,最终选取高学业水平学生27人与低学业水平学生26人,共计53人。在正式实验前两周对其进行前测并发现:在信号检测论前测上,高水平学生的前测结果显著高于低水平学生(M高=8.62,SD高=2.94,M低=2.33,SD低=1.21,t=10.1,p<0.001,Cohen’sd=2.80);在方差分析前测上,高水平学生的前测结果显著高于低水平学生(M高=7.54,SD高=3.63,M低=1.78,SD低=1.55,t=7.45,p<0.001,Cohen’sd=2.06)。将高低水平学生进行两两配对,随机分配到合作学习组与个体学习组,两组前测成绩无显著差异(M合作=9.62,SD合作=4.75,M个体=10.41,SD个体=7.31,p=0.528)。

3.实验设计

本研究采用2(样例难度)×2(学习形式)混合实验设计。前者为被试内变量,分为简单与复杂两种样例水平,其中简单样例所涉知识少,复杂样例所涉知识多;后者为被试间变量,分为合作和个体学习两种水平。因变量为认知负荷和学习进步程度,其中认知负荷采用认知负荷主观量表进行测量[18],学习进步程度以前后测成绩差值为指标。

4.实验材料

为避免练习效应,在咨询基础心理学专家后,从实验心理学中选取信号检测论知识点,从心理统计中选取方差分析知识点,根据任务分析方法对其进行知识数量分析。方差分析所涉知识数量为12个,可视为复杂样例;信号检测论所涉知识数量为7个,可视为简单样例。

(1)样例材料

样例包括1个简单样例(信号检测论)与1个复杂样例(方差分析)。根据实验目的,每个样例由问题情境、样例步骤与4个提示性问题构成,提示性问题置于样例最后。样例提示性问题旨在引发样例个体与合作学习组的解释,以避免解释有无对样例学习效果的影响。由于样例涉及知识为规则,因此提示性问题是对相应步骤所蕴含的规则及其适用条件的提示。例如:简单样例(信号检测论)的提示问题之一“说明P击中的计算公式”,旨在让被试理解击中率公式的各组成成分及其之间的关系;复杂样例(方差分析)的提示问题之一“单因素方差分析的适用条件是什么”,旨在让被试对其适用条件进行解释。

(2)前后测材料

前人研究认为样例学习不仅要掌握问题解决步骤,还要掌握问题解决所依据的知识。因此,本实验的前测与后测不仅包括应用题(1题),以测量样例所涉知识的应用程度,还包括名词解释(3题)、简答题(1题),以测量对所涉知识的理解程度,总分各40分。

简单样例(信号检测论)前后测的名词解释题评分标准是:每题2个知识点,每答对1个得1分,公式正确得2分,名词解释3题共计12分。简答题评分标准是:击中率图正确得2分,错误得0分;虚报率图正确得2分,错误得0分;击中率与反应倾向性关系解释正确得2分,错误得0分;虚报率与反应倾向性关系解释正确得2分,错误得0分,共计8分。应用题评价标准是:击中率、虚报率、漏报率、正确拒斥率计算正确各得2分,将它们分别转为z值,转换正确各得1分,辨别力指数与反应倾向计算正确各得4分,共计20分。

复杂样例(方差分析)前后测名词解释题的评分标准是:每题2分,提到所有知识点得2分,提到部分知识点得1分,知识点错误得0分。简答题评分标准是:每个步骤正确得1分,统计量正确得1分,共计12分。应用题评分标准是:单因素方差分析适用条件分析正确得3分,假设提出正确得2分,每个统计量计算正确得2分,统计决策正确得3分,方差分析表正确得2分,共计22分。

请不参与研究的两位心理学研究者根据评分标准对前后测成绩进行评定,得到一致系数为0.805,由此选择其中一位研究者的成绩评定结果进行数据分析。

5.实验程序

根据前测成绩将个体配对并随机分配到个体组或合作组,实验前分别进行出声思维训练和合作学习训练,直至掌握。

6.结果分析

(1)样例难度与学习形式对认知负荷及学习进步程度的影响

不同难度样例的个体学习与合作学习的认知负荷和学习进步程度结果如表1所示。以认知负荷为因变量,以样例难度和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果发现:样例难度主效应显著,F(1,51)=13.75,p=0.001,ηp2=0.21,简单样例的认知负荷(M=13.11,SD=2.30)显著高于复杂样例(M=12.06,SD=1.49);学习形式无显著主效应,F(1,51)=0.52,p=0.473;样例难度与学习形式无交互作用,F(1,51)=2.3,p=0.136。

表1 不同难度样例的个体学习与合作学习的认知负荷和学习进步程度

将后测减前测的差值作为学习进步程度的指标,以其为因变量,以样例难度和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果发现:学习形式主效应显著,F(1,51)=5.12,p=0.028,ηp2=0.09,合作学习条件下的样例学习进步程度(M=31.81,SD=9.63)显著高于个体独立学习条件(M=24.67,SD=13.01);样例难度无显著主效应,F(1,51)=1.87,p=0.178;样例难度与学习形式无交互作用,F(1,51)=1.12,p=0.294。

(2)不同难度的样例条件下,学业水平与学习形式对样例学习进步程度的影响

由于每个个体对学习材料“信号检测论”和“方差分析”掌握程度不一致,因此在难度不同的样例条件下,分别分析学生学业水平和学习形式对学习进步程度的影响(见表2)。

表2 不同学业水平学生的样例个体学习与合作学习的学习进步程度

简单样例条件下,将知识后测减前测的差值作为学习进步程度的指标,以此为因变量,以学业水平和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果表明:学习形式主效应显著,F(1,49)=4.86,p=0.032,ηp2=0.090,合作条件下的样例学习进步程度(M=15.73,SD=6.89)显著高于个体学习条件(M=10.96,SD=8.29);学业水平无显著主效应,F(1,49)=0.09,p=0.761;学业水平与学习形式无交互作用,F(1,49)=0.39,p=0.538。

复杂样例条件下,将知识后测减前测的差值作为学习进步程度的指标,以此为因变量,以学业水平和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果表明:学业水平主效应显著,F(1,49)=5.03,p=0.029,ηp2=0.093,学业水平较低的学生学习进步程度(M=16.74,SD=7.42)显著高于学业水平较高的学生(M=12.92,SD=4.76);学习形式无显著主效应,F(1,49)=2.03,p=0.161;学业水平与学习形式无交互作用,F(1,49)=0.01,p=0.923。

纳入标准：所有患者均知晓本次研究，且已经签订知情同意书，并经我院医学伦理委员会批准，患者年龄在18岁以上。

实验1表明,学习单个样例时,无论样例复杂度如何,样例合作学习效果均好于个体学习,且学业水平低的学生从样例学习中受益更多。

(二)实验2:学习3个样例时,学习形式与样例难度对学习效果的影响

1.实验目的

实验目的与实验1相似,不同之处在于样例数量由1个变为3个。实验2考察学生学习多个样例时,不同难度的样例个体学习与合作学习在学习认知负荷与学习进步程度上是否存在差异。研究假设:(1)学习简单样例时,样例个体学习认知负荷显著低于合作学习,学习进步程度显著高于合作学习;学习复杂样例时,样例合作学习认知负荷显著低于个体学习,学习进步程度显著高于个体学习;(2)学习简单样例时,低学业水平学生学习进步程度显著高于高学业水平学生;学习复杂样例时,高学业水平学生学习进步程度显著高于低学业水平学生。

2.被试

另招募苏州某高校心理学专业四年级学生79人,按照实验1的方法有意抽取高水平学业学生32人与低水平学业学生30人,共计62人。结果发现:信号检测论前测存在学生类型差异,高水平学生的前测结果显著高于低水平学生(M高=10.33,SD高=4.21,M低=2.69,SD低=1.62,t=9.32,p<0.001,Cohen’sd= 2.06);方差分析前测存在学生类型差异,高水平学生的前测结果显著高于低水平学生(M高=8.93,SD高=3.17,M低=2.27,SD低=1.39,t=5.91,p<0.001,Cohen’sd=2.72)。将高低水平学生进行配对,随机分配到合作学习组与个体学习组,两组前测结果无显著差异(t=1.75,p=0.124)。

3.实验材料、实验设计、实验程序

除样例学习材料外,其余实验材料与实验1相同。其中,信号检测论样例(简单样例)与方差分析样例(复杂样例)各3个,每个样例的深层特征相同,表面特征不同。

实验设计、实验程序均同实验1,只是3个样例的学习时间为45分钟。

4.结果分析

(1)样例难度与学习形式对样例学习认知负荷及学习进步程度的影响

以认知负荷为因变量,以样例所涉难度和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果发现:难度主效应不显著,F(1,60)=2.459,p=0.122;学习形式主效应显著,F(1,60)=4.32,p=0.042,ηp2=0.07,合作学习组的学生认知负荷(M=12.36,SD=2.04)显著高于个体学习组(M=11.30,SD=1.96);样例难度与学习形式交互作用显著,F(1,60)=62.07,p<0.001,ηp2=0.51。简单效应分析发现:进行个体学习时,简单样例学习认知负荷显著低于复杂样例;进行合作学习时,简单样例学习认知负荷显著高于复杂样例(见图1、图2及表3)。

图1 样例难度与学习方式对认知负荷的影响

图2 样例难度与学习方式对学习进步程度的影响

表3 不同知识数量的样例个体学习与合作学习的认知负荷和学习进步程度

将后测减前测的差值作为学习进步程度的指标,以其为因变量,以样例难度和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果发现:学习形式无显著主效应,F(1,60)=1.57,p=0.215;样例难度无显著主效应,F(1,60)=1.94,p=0.169;样例难度与学习形式交互作用显著,F(1,60)=21.53,p<0.001,ηp2=0.26。在个体学习组,简单样例学习进步程度(M=18.67,SD=6.60)大于复杂样例(M=15.27,SD=8.09);在合作学习组,简单样例学习进步程度(M=22.47,SD=9.00)同样大于复杂样例(M=16.16,SD=9.62)。

(2)不同知识数量的样例条件下,学业水平与学习形式对样例学习进步程度的影响

由于个体对学习材料“信号检测论”和“方差分析”的掌握程度存在不一致的情况,因此在所涉不同知识数量的样例条件下,分别分析学生的学业水平和学习形式对学习效果的影响(见表4)。

表4 不同学业水平学生、不同难度的样例个体学习与合作学习进步程度

简单样例条件下,将学习后测减前测的差值作为学习进步程度,以其为因变量,以学业水平和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果表明:学业水平主效应显著,F(1,58)=5.16,p=0.027,ηp2=0.08;学业水平低的个体样例学习进步程度(M=19.75,SD=7.99)显著高于学业水平高的个体(M=14.83,SD=8.04);学习形式无显著主效应,F(1,58)=1.17,p=0.28;学业水平与学习形式无交互作用,F(1,58)=2.85,p=0.10。

复杂样例条件下,将学习后测减前测的差值作为学习进步程度,以其为因变量,以学业水平和学习形式为自变量,进行重复测量方差分析。结果表明:学业水平主效应显著,F(1,58)=4.87,p=0.031,ηp2=0.08;学业水平低的学生学习进步程度(M=21.30,SD=9.45)显著高于学业水平高的学生(M=16.81,SD=8.64);学习形式主效应显著,F(1,58)=12.49,p=0.001,ηp2=0.18,合作学习条件下学习进步程度(M=22.47,SD=9.00)显著高于个体学习条件(M=15.27,SD=8.09);学业水平与学习形式无交互作用,F(1,58)=1.57,p=0.215。

实验2表明:学习多个简单样例时,合作学习认知负荷显著大于个体学习;学习多个复杂样例时,合作学习认知负荷显著小于个体学习。从学习进步程度来看,合作学习条件下简单样例学习效果显著好于个体学习形式,个体学习条件下简单样例学习效果同样显著好于个体学习形式。将学生的学业水平考虑在内,两种样例的学习进步程度皆是学业水平低的学生的样例学习效果较好。

三、讨 论

学习效果应是最少心理投入获得最大学习进步,因此本研究围绕认知负荷与学习进步程度,就上述两个实验分析讨论不同样例数量下不同复杂度样例的合作学习效果,以及不同学业水平学生的复杂样例合作学习效果。

本研究将知识少的样例作为简单样例,将知识多的样例作为复杂样例。综合实验1与实验2的研究结果可以发现,学习少量样例时,无论样例复杂与否,合作学习进步程度均好于个体学习,而两者的认知负荷无显著差异。本研究与杨宗凯等的研究结果相同[16],原因在于这两个研究都需要学习者对简单样例与复杂样例进行解释,从而增加样例复杂度,而合作学习能减轻个体认知负荷,成员间的合作解释又促进学习者深度理解样例。另外,实验1只需合作学习1个样例,不需要重复学习表层结构不同但深层结构相同的样例,这对于简单样例学习不会产生过多的不必要的交流讨论行为,不会产生额外的认知负荷。样例合作学习效果好于个体学习,究其原因,应不仅仅是认知负荷减少,还可能是解释机制促进了合作学习效果。学习多个样例时,复杂样例比简单样例合作学习的认知负荷更少,学习进步程度更高;简单样例比复杂样例个体学习的认知负荷更少,学习进步程度更高。这与董成文等的研究结果一致,也验证了格斯钦纳等的观点:对于简单样例合作学习而言,多次合作学习深层结构一致的样例会增加额外认知负荷;对于复杂样例,即使是合作学习,也需要更多数量的样例才能让学习者充分掌握,合作学习过程中的交流讨论不仅能促进学习者对样例的深度理解,而且能减少他们的认知负荷,使学习效果好于简单样例。

本研究结果不同于瑞特诺瓦等的研究结果。瑞特诺瓦等发现,无论样例复杂还是简单,个体学习都要好于合作学习。样例学习效果的判断方法主要是,在控制样例学习前的相关知识经验下比较样例学习测试结果,或根据学习进步程度探讨样例学习效果。瑞特诺瓦等在真实教学情境中进行研究,实验前没有对合作能力进行培训,选取的是已存在的合作学习组,没有比较合作学习组与个体学习组成员先验知识,因此样例个体学习好于合作学习的研究结果值得进一步论证。为回答瑞特诺瓦等提出的“更复杂的样例是否更宜运用样例合作学习”这一问题,本研究操纵样例所涉知识数量,设计不同知识数量的样例,综合实验1与实验2关于知识数量对样例合作与个体学习效果的比较发现,无论知识难易,少量引发解释的样例均适于合作学习,尤其是当学习知识多的复杂样例时,样例合作学习的认知负荷显著低于样例个体学习,学习进步程度显著高于样例个体学习。需要指出的是,本研究是在不同样例数量下进行样例合作与个体学习的比较,未来有必要操纵样例数量,探讨样例数量与知识难度对样例合作学习的影响。

同时,实验1与实验2皆发现,低学业水平学生的样例学习进步程度显著高于高学业水平学生。这是因为,本研究采用的是异质小组,学业水平低的学生在个体学习中观察样例步骤,在合作学习中接受高水平学生的解释,使他们的学习进步程度更高;学业水平高的学生由于具有足够的知识经验,从样例个体学习中获益较少,他们在合作学习中更多的是向他人提供解释,而不是接受他人的解释,其学习进步程度相对较少。总而言之,本研究验证了卡柳加(Kalyuga)样例学习的“专长反转效应”:相对于高学业水平学生,低学业水平学生从样例学习中受益更多。[19]

综上所述,本研究认为:对于简单样例,只需少量样例合作学习就能实现较好的学习效果,对于复杂样例,则需要更多样例的合作学习;样例学习有助于低学业水平学生。